DE2545090A1

DE2545090A1 - Geraet zur befestigung eines objektes an einem rohr

Info

Publication number: DE2545090A1
Application number: DE19752545090
Authority: DE
Inventors: Ronald Eddy Savage
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1976-04-15
Also published as: IT1042354B; DE2545090B2; BR7506288A; NL7510475A; JPS5421161B2; CA1019238A; JPS5163301A; GB1480865A; FR2287579B1; NL160359B; DE2545090C3; NO753435L; FR2287579A1; NL160359C; DK450975A; NO146248B; NO146248C; US3915226A; DE7532012U

Description

PATENTANWÄLTE
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG · BÖKENBUSCH 41 Postfadi 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung Halliburton Company, Duncan, Oklahoma, TJ S A

Gerät zur Befestigung eines Objektes an einem Rohr

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Befestigung eines Objektes an einem Rohr, das einen Innenrand aufweist, und zum Lösen des Objektes bei Aufsitzen eines Verschlußgliedes in dem Gerät und anschließendem Unterdrucksetzen des Rohrinnenraumes .

Eine bevorzugte Anwendung, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Halterung und Auslösung des oberen Zementierstopfens beim Zementieren von Ölbohrungen o. dgl. Dabei handelt es sich um folgendes: Ölbohrungen werden häufig mit einer Verrohrung ausgekleidet. Zwischen der äußeren Verrohrung und der Bohrlochwandung ergibt sich dabei ein mantelförmiger Raum, und es ist vorteilhaft, diesen Raum mit Zement auszufüllen. Dadurch erhöht sich die Stabilität der Verrohrung. Die Verrohrung ist besser gegen Bergdruck und Korrosion durch im Erdreich enthaltene Flüssigkeiten gesichert, und umgekehrt ergibt sich zu-

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sätzlicher Schutz gegen eine Verunreinigung des Grundwassers durch die geförderte Flüssigkeit. Es gilt nun, angerührten, nicht verunreinigten Zement in diesen Ringraum einzubringen.

Zu diesem Zweck sind im oberen Teil der Verrohrung übereinander ein oberer und ein unterer Zementierstopfen gehaltert, die je einen axialen Durchgang besitzen. Es wird nun durch eine Kugel, oder ein anderes Verschlußglied die man durch das Bohrrohr in das Bohrloch fallen läßt und die den Durchgang des oberen Zementierstopfens passiert, ist somit der Durchgang des unteren Zementierstopfens abschließbar. Durch das Bohrrohr, das z.B. durch das Wasser hindurch vom Meeresgrund zu einer Bohrplattform führt, wird dann die angerührte, flüssige Zementmasse unter Druck auf die Zementierstopfen geleitet. Der obere Zementierstopfen wird davon zunächst nicht beeinflußt, da sein Durchgang geöffnet ist. Der Druck wirkt jedoch auf den unteren Zementierstopfen, wodurch Scherstifte abscheren, die diesen unteren Zementierstopfen gehalten hatten, und der Zementierstopfen sich bohrlochabwärts bewegt, gefolgt von dem hineingepumpten Zement. Der untere Zementierstopfen trennt dabei den Zement von den Bohrlochflüssigkeiten. Wenn die zum Ausfüllen des zu zementierenden Teils des manteiförmigen Raumes erforderliche Menge an Zement so in das Bohrloch gepumpt worden ist, wird die Zementzufuhr beendet und ein oberer Auslösestopfen freigegeben. Verdrängungsflüssigkeit unter Druck wie Bohrschlamm oder Wasser treiben diesen auf den oberen Zementierstopfen und verriegelt sich mit diesem, wobei er den axialen Durchgang dieses oberen Zementierstopfens abschließt. Anschließend wird eine Druckflüssigkeit, z.B. Bohrschlamm, auf den oberen Zementierstopfen geleitet, so daß dieser durch Abscheren von Scherstiften freigegeben wird und sich ebenfalls bohrlochabwärts bewegt. Die eingepumpte Druckflüssigkeit

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drückt jetzt das Zement in dem Bohrloch herunter, bis der untere Zementierstopfen auf einem unteren Endstück der Verrohrung zum Aufsitzen kommt. Unter dem Druck der Druckflüssigkeit und des Zementes öffnet ein Auslaß und das Zement wird dann von unten her oder durch eine Seitenöffnung der Verrohrung an der Außenseite der Verrohrung entlang in den manteiförmigen Raum zwischen Verrohrung und Bohrlochwandung nach oben gedruckt. Bei weiterer Verdrängung kommt der obere Zementierstopfen auf dem unteren Zementierstopfen zum Aufsitzen, wodurch die Verrohrung unten abgeschlossen und der Zement sicher in dem manteiförmigen Raum gehalten wird. Der obere Zementierstopfen gewährleistet außerdem eine sichere Trennung von Zement und Druckflüssigkeit. Die Kugel und der obere Auslösestopfen sind bekanntermaßen getrennt auslösbar übereinander in einem Stopfenbehälter angeordnet, der das Bohrrohr oben abschließt und vorteilhafterweise auch den Zementeinlaß enthält (Vgl. HALLIBURTON SERVICES SALES AND SERVICE CATALOG No. 37 Seiten 24O4-24O5 sowie US-PS 2 438 992, US-PS 3 364 996 und US-PS 3 5^5 542).

Es haben sich bei solchen Zementierstopfensystemen Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß die Zementierstopfen vorzeitig auslösen. Da bei der Bohrlochzementierung naturgemäß die Zementierstopfen am Ende einzementiert werden, ist die Ursache einer solchen vorzeitigen Auslösung schwer festzustellen. Es sind jedoch verschiedene wahrscheinliche Ursachen ermittelt worden. Eine solche Ursache ist das Brechen von Scherstiften infolge von Drehkräften, die auf die Zementierstopfen relativ zu dem Teil des Bohrrohres wirken, an dem die Zementierstopfen befestigt sind. Eine zweite Ursache ist der in der US-PS 3 6l6 85O beschriebene Druckstoß, der beim Aufsetzen des Verschlußgliedes auf dem jeweiligen Zementierstopfen auftritt.

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Es sind auch Schwierigkeiten dadurch aufgetreten, daß die Zementierstopfen überhaupt nicht ausgelöst wurden. Die Ursache hierfür war auch sehr schwer zu ermitteln, da die Beweisstücke dann, wie oben erwähnt, in das Bohrloch einzementiert sind herausgebohrt und damit zerstört werden müssen, um das Bohrloch für den späteren Betrieb zu öffnen. Eine Ursache wurde jedoch festgestellt, nämlich das Fressen oder Reibkorrosion von Stahlkugeln, die bei bekannten Auslösemechanismen verwendet werden (vg. den vorerwähnten HALLIBURTON-Katalog, Seite 24O4), um den Einfluß der oben erwähnten Drehkräfte oder Druckstöße zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einem zuverlässig arbeitenden Befestigungs- und Auslösemechanismus für solche und ähnliche Zwecke zu schaffen, der einerseits eine sichere Auslösung im gewünschten Zeitpunkt gewährleistet aber andererseits auch beim Auftreten der geschilderten Drehkräfte und Druckstöße nicht vorzeitig auslöst.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Gerät der eingangs definierten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch

(a) einen Kragen mit einem zusammenziehbaren äußeren Rand zur lösbaren Verriegelung mit dem besagten Innenrand des Rohres,

(b) eine Hülse mit einer Axialbohrung und einem sich erweiternden Ende, welches das Verschlußglied aufnimmt und den zusammenziehbaren äußeren Rand solange nach außen hin festhält, bis nach Aufsetzen des Verschlußgliedes auf der Hülse

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und Erreichen eines vorgegebenen Innendrucks in dem Rohr die Hülse innerhalb des Kragens wenigstens teilweise verschoben ist,

(c) ein Verbindungsstück, das an dem Kragen befestigt ist und das Objekt, und

(d) Dichtmittel zwischen dem Verschlußglied und dem Rohr, durch welche das Rohr abgedichtet ist, wenn das Verschlußglied auf der Hülse aufsitzt.

Auf diese Weise ist das Verbindungsstück nicht unmittelbar an dem Rohr, also etwa einem mit dem Bohrrohr verbundenen rohrförmigen Gehäuse, durch Scherstifte o. dgl. befestigt, sondern es wird von dem Kragen gehalten. Der Kragen wiederum hängt nur mittels des zusammenziehbaren Randes an dem Innenrand des Rohres, wobei der Rand wiederum von der Hülse nach außen abgestützt ist und im Haltzustand nicht nach innen ausweichen kann. Die Auslösung erfolgt durch Verschiebung der Hülse relativ zu Kragen und Verbindungsglied. Drehkräfte, welche zwischen Rohr und Objekt bzw. Verbindungsstück wirksam sind, beeinflussen den Auslösemechanismus nicht. Sie können allenfalls zu einer Verdrehung des zusammenziehbaren äußeren Randes des Kragens auf dem Innenrand des Rohres führen. Die Auslösung kann nur durch eine axiale Kraft auf die Hülse erfolgen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

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Fig. 1 ist ein schernatischer Vertikalschnitt eines Zementierstopf ensystems, bei weJbhem das Gerät nach der Erfindung verwendet Airerden kann.

Fig. 2 ist eine geschnitten-perspektivische Darstellung eines erfindungsüemäßen Auslösegerätes für den oberen Stopfen.

Figuren 2a, 2h, 2c und 2d sind schematische Schnittansichten nur der rechten Seite des Gerätes von Figur 2 in verschiedenen Betriebszuständen.

In Figur 1 ist der Grundaufbau eines Zementierstopfensystems 1 zum Zementieren der Verrohrung unter Wasser dargestellt .

Das Zementierstopfensystem 1 enthält einen auf der Bohrplattform 3 oberbaLb der Meeresoberfläche k angeordneten Teil 2, einen im Meer verlaufenden Teil ρ zwischen der Bohrplattform und dem Meeresboden 6, und einen unterirdischen Teil 7 unterhalb des Meeresbodens 6.

Der auf der Bohrplattform angeordnete Teil 2 enthält einen Stopfenbehälter 8, einen oberen Auslösestopfen 9, einen zurückziehbarer Kolben 11, eine Auslöselcugel 12, einen Kugelkanal 13, einen verschiebbaren Kolben Ik₁ einen Zementeinlaß 15 und einen oberen Teil eines Bohrrohres Der obere Auslösestopfen 9 sitzt im oberen Teil 10 des Stopfenbehälters 8. Der zurückziehbare Kolben 11 hält lösbar den oberen Auslösestopfen 9· Die untere Auslösekugel 12 sitzt in dem Kugelkanal 13, der unterhalb des KoTbejtis 11 seitlich an dem Stopfenbehälter 8 angebracht ist, und liegt an dem vorschiebbaren Kolben Ik an. Der Zementeinlaß 15 ist vorzugsweise seitlich an dem Stopfenbe-

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hälter 8 unterhalb des Kolbens 11 vorgesehen, obwohl der Zementeinlaß auch sonst irgendwo zwischen dem Kolben 11 und dem unterirdischen Teil 7 angeordnet sein könnte. Das Bohrrohr l6 erstreckt sich von dem Stopfenbehälter 8 nach unten.

Der im Meer verlaufende Teil 5 enthält den mittleren Teil des Bohrrohres 16 und ein unten an dem Bohrrohr 16 angebrachtes Einbaustück 17·

Der unterirdische Teil enthält einen Verrohrungsträger 18, ein Zementierkopfzwischenstück 19j einen Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen, eine innere Verrohrung 21, eine äußere Verrohrung 22, einen oberen Zementierstopfen 23 und einen unteren Zementierstpfen 24. Der Verrohrungsträger l8 ist im oberen Ende der äiißeren Verrohrung befestigt und das Einbaustück 14 ist abdichtend an dem Verrohrungsträger l8 angebracht, wodurch das Bohrrohr indirekt abdichtend an dem unterirdischen Teil 7 angebracht ist. Der Verrohrungsträger l8 hält die innere Verrohrung21 innerhalb der äußeren Verrohrung 22 unter Freilassung eines Verrohrungsringraumes 25 zwischen diesen. Das Zementierkopfzwischenstück 19 hängt von dem Einbaustück 17 herab und hält und trägt den Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen. Der Auslösemechanismus 20 hält den oberen Zementierstopfen 23, und der obere Zementierstopfen 23 hält seinerseits lösbar den unteren Zementierstopfen 24.

Es wird nachstehend der Aufbau des Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen in seiner Haltestellung im einzelnen unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben:

Der Auslösemechanismus 20 enthält ein Gehäuse 30, eine Buchse 40, einen Kragen 50, eine Hülse 60, ein Verbindungsstück70, für den oberen Zementierstopfen, ein Sherglied 80

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und ein Drehgelenk 90. In der in Figur 2 dargestellten Haltestellung trägt das Gehäuse 30 innen die Buchse 40, welche das Drehgelenk SD innerhalb des Gehäuses 30 sichert, und abstützt. Das Drehgelenk 90 trägt innen den Kragen 50» und der Kragen 50 trägt innen das Verbindungsstück 70. Das Verbindungsstück 70 trägt innen die Hülse 60 mittels äes Schergliedes 80, welches die Innenfläche des Verbindungsstückes 70 mit der Außenfläche der Hülse 60 verbindet.

Das Gehäuse 30 ist ein Zylinder mit einer Axialbohrung 31ι welche zwischen einem oberen Ende 32 und einem unteren Ende 33 verläft. Ein oberes Innengewinde 34 erstreckt sich von dem oberen Ende 32 nach unten über eine Strecke im Gehäuse 30, die eine feste Schraubverbindung des Gehäuses 30 mit dem Zementierlcopfzwischenstück 19 von Figur 1 gestattet. Eine axiale Gegenbohrung 35 von größerem Durchmesser als die Axialbohrung 31 erstreckt sich von dem unteren Ende 33 aufwärts zu einem Mittelteil 36 des Gehäuses 30, so daß ein ringförmiger Absatz 37 gebildet wird. Der ringförmige Absatz 37 kann gegebenenfalls sich verjüngend ausgebildet sein. Ein unteres Innengewinde 38 erstreckt sich in der Gegenbohrung um eine Strecke nach oben, die ausreicht, um eine feste Sahraubverbindung mit der Buchse 40 zu gewährleisten, wie unten beschrieben ist. Eine Feststellschraube 39 verbindet das Gehäuse 30 mit der Buchse 40 und stellt so sicher, daß die Buchse 40 nicht außer Eingriff mit dem Gehäuse 30 gedreht werden kann.

Die Buchse 40 ist ein Zylinder mit einer Axialbohrung 4l und einer oberen äußeren Eindrehung 42. Die Buchse 40 weist auch eine axiale Gegenbohrung 43 auf, die sich von ihrem oberen Ende 44 nach unten erstreckt und einen ringförmigen Absatz 45 bildet. Die axiale Gegenbohrung 43 ist mit einer ersten Nut 46 versehen, die eine erste Dichtung 47 aufweist, so

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daß ein Druckmitteldurchtritt zwischen dem Kragen 50 und der Buchse 40 verhindert wird. Der ringförmige Absatz φ kann gegebenenfalls sich verjüngend ausgebildet sein. Die äußere Eindrehung 42 ist mit einer zweiten Nut 46a versehen, die eine zweite Dichtting 47a enthält, so daß ein Druckmitteldurchtritt zwischen dem Gehäuse 30 und der Buchse 40 verhindert wird. Die äußere Eindrehung 42 ist weiterhin mit einer Ausnehmung 48 zur Aufnahme der Feststellschraube 39 versehen. Weiterhin ist die Eindrehung mit einem Außengewinde 49 entsprechend dem unteren Innengewinde 38 des Gehäuses 30 versehen. Das obere Ende 44 der Buchse 40 bilofet einen ringförmigen Lagerabsatz, wenn die Buchse 40 in das Gehäuse 30 eingeschraubt ist.

Das Drehgelenk 90 enthält ein Lauflager 9I und ein öucklager Das Drucklager 92 ist ein ringförmiges Band von im wesentlichen der gleichen Ringfläche wie der vom oberen Ende 44 der Buchse 40 innerhalb des Gehäuses 30 gebildete ringförmige Lagerraid , und das Drucklager 92 sitzt auf dem oberen Ende 44 der Buchse 40. Das Lauflager 91 hat einen ringförmigen Querschnitt von im wesentlichen der gleichen Fläche wie sowohl das Drucklager 92 als auch das obere Ende 44, und das Lauflager 91 ruht drehbar auf dem Drucklager 92. Das Lauflager 9I kann gegebenenfalls sich verjüngend ausgebildet sein.

Der Kragen enthält einen oberen zusammenziehbaren Randteil 51j einen oberen geschlitzten Teil 52, einen Mittelteil 53j einen unteren geschlitzten Teil 54 und einen unteren ausdehnbaren Randteil 55' Der obere geschlitzte Teil 58 hat eine ausreichende Länge, so daß er von dem oberen Rand des Lauflagex-s 91 nach unten an dem Drucklager 92 vorbei bis gerade oberhalb der Nut 46 der Buchse 40 reicht. Der Teil 52

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ist geschlitzt und hat eine verminderte Dicke, so daß er ein Einwärtsbiegen desselben gestattet. Der untere geschlitzte Teil 54 hat eine ausreichende Länge, so daß er von dicht unterhalb der Nut 46 nach unten zu einer Ausnehmung 77 des Verbindungsstückes 70 für den oberen Zementierstopfen reicht, wie unten beschrieben ist. Der Teil 5^t ist geschlitzt und hat eine verminderte Dicke, so daß er ein Auswärtsbiegen desselben gestattet. Der Teil 53 verbindet die Teile 52 und 54 und deckt die Dichtung 47 der Buchse 40 ab. Der Teil 53 hat einen Außendurchmesser, der größer ist als der Duichmesser der Axialbohrung 4l aber kleiner als der Durchmesser der Gegenbohrung 43» so daß eine Abwärtsbewegung des Teils durch den ringförmigen Absatz 45 begrenzt ist. Der zusammenziehbare Randteil 51 hat einen äußeren Rand 52, der über den oberen Rand des Lauflagers 91 greift, wenn er von dein sich erweiternden Ende 62 der Hülse 60 wie unten beschrieben, festgehalten wird. Der ausdehnbare Randteil 55 weist einen inneren Rand 57 auf, der in eine äußere Ausnehmung 77 des Verbindungsstücks 70 des oberen Zementierstopfens greift. Der ausdehnbare Randteil 55 ist durch die Axialbohrung 4l der Buchse4O einwärts festgehalten.

Das Verbindungsstück 70 für den oberen Zementierstopfen ist ein Hohlzylinder mit einem oberen Abschnitt 71, einem mittleren Abschnitt 72 und einem untei-en Abschnitt 73· Durch den unteren Abschnitt 73 verläuft eine axiale Bohrung 74, während eine Gegenbohrung von größerem Durchmesser als die Bohrung 74 durch den oberen Abschnitt 71 und den mittleren Abschnitt 73 verläuft und eine untere innoe Ringschulter 76 bildet. Der mittlere Abschritt'.'72 ist mit einer äußeren Ausnehmung 77 versehen, der an den Umfang des inneren Randes 57 des ausdehnbaren Randteils des Kragens 50 angepaßt ist. Der obere Abschnitt 71 des Verbindungsstücks 70 ist mit einer äußeren Nut 71a versehen, die eine Dichtung 71b aufnimmt. Die Dichtung 71b liegt

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an dem Teil 53 des Kragens 5° an und verbindert einen Druckmitteldui-chtritt zwischen dem Kragen 50 und dem Verbindungsstück 70. Der obere Abschnitt weist auch ein Abscherloch 8l auf, welches das verbindungsseitige Ende des Schergliedes 80 aufnimmt. Das Abscherloch 8l grenzt an eine entsprechende Abscheratxsnehmung 6$ der Hülse 60 an. Der mittlere Abschnitt 72 des Verbindungsstückes 70 ist aus unten beschriebenen Gründen mit einer inneren Ausnehmung 7& versehen. Die Ausnehmung 78 erzeugt eine obere innere Ringschulter 76 a und bewirkt ein weiteres Zurückspringen der Ringschulter 76. Der untere Abschnitt 73 ist mit einem Außengewinde 79 vei'sehen, welches ein entsprechendes Gewinde des oberen Zeraentierstpfens 23 von Figur 1 aufnimmt.

Die Hülse 60 ist ein Zylinder mit einer Axialbohrung Gl und enthält ein oberes, sich erweiterndes Ende 62. Das sich erweiternde Ende 62 ist mit einer Sitzfläche 65 versehen, die in bekannter Weise zur dichtenden Aufnahme des oberen Auslösestopfens 9 von Figur 1 eingerichtet ist, wodurch die Axialbohrung 31 des Gehäuses 30 in Zusammenwirken mit den oben beschriebenen Dichtungen 46, 46a, 71b und der unten beschriebenen Dichtung 66 dicht abgeschlossen wird. Das sich erweiternde Ende 62 hat einen Außendurchmesser, der gerade geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des oberen zusammenziehbaren Randteiles 51 des Kragens 50, so daß das sich erweiternde Ende 62 den Rand 56 auf dem Lauflager 91 hält, solange wie das sich erweiternde Ende an dem Randteil 51 anliegt. Der untere Abschnitt 64 ist mit einer Abscherausnehmung 65 versehen, die zur Aufnahme des hülsenseitigen Endes 83 des Schergliedes 80 eingerichtet ist, so daß die Hülse 60 in ihrer Stellung gehalten wird, in weHdier das sich erweiternde Ende

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an dem Randteil des Kragens 50 anliegt. Der untere Abschnitt 64 ist auch mit einer äußeren Dichtungsnut 67 versehen, welche eine Dichtung 66 aufnimmt, die an der axialen Gegenbohrung 75 des Verbindungsstückes 70 anliegt, so daß ein Druckmitteldurchtritt zwischen dem Verbindungsstück 70 und der Hülse 60 verhindert wird. Der untere Abschnitt ist weiterhin mit einer äußeren Riegelausnehmung 68 versehen, die einen ausdehnbaren Riegelring 69 aufnimmt, welcher sich, wie unten beschrieben, in die Ausnehmung 78 ausdehnen kann. Der mittlere Abschnitt 63 und der untere Abschnitt 64 haben einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der axialen Gegenbohrung aber größer als der Axialbohrung 74, so daß eine Abwärtsbewegung der Hülse 60 innerhalb des Verbindungsstückes durch die Schulter *?6 begrenzt wird. Der untere Abschnitt 64 kann mit einer axialen Gegenbohrung 6la versehen sein, so daß eine verriegelnde Ringschulter 69a erzeugt wird, welche mit dem oberen Auslösestopfen 9 zusammenwirken kann, derart, daß der Auslösesicpfen 9 in dichtender Anlage an der Sitzfläche 65 in der Axialbohrung 6l gehalten wird, wenn dieser obere Auslösestopfen wie unten beschrieben, erst einmal dort zum Aufsitzen gekommen ist.

Das Scherglied 80 weist ein hülsenseitiges Ende 83 und ein verbindungsstuckseitiges Ende 82 und Teile dazwischen auf. Das Scherglied wird von dem Abscherloch 8l in dem Verbindungsglied und der Abscherausnehmung 65 in der Hülse 60, wie vorstehend beschrieben, aufgenommen, so daß ehe ausreichende Abwärtskraft auf die Hülse 60 das Scherglied abschert und damit die Auslösung des oberen Zementierstopfens 23 von Figur 1 in der unten beschriebenen Weise in Gang setzt.

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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2a-2d beschrieben, welche den Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen in vier aufeinanderfolgenden Betriebszuständen zeigt. Diese BetriebszUstände sind der Haltezustand von Figur 2a, der Hülsenauslösurgszustand von Figur 2b, der Kragenauslösungszustand von Figur 2c, und der Verbindungsstückauslösungszustand von Figur 2d.

In Figur 1 ist der Auslösemechanismus 20 in seinem Haltezustand, wie er in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben ist. Wenn der Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen wie beschrieben aufgebaut und in ein Zementiersystem der oben beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Art eingebaut ist, wird der Stopfenauslösevorgang in üblicher Weise dadurch eingeleitet, daß man die Auslösekugel 13 für den unteren Stopfen dux~ch das Bohrrohr in dichtende Siellung in dem unteren Zementierstopfen herabfallen läßt und Zement über den Zementeinlaß lG in das Bohrrohr pumpt. Sin fortgesetztes Pumpen bewirkt ein Abscheren (nicht dargestellter) Stifte, welche den unteren Zementierstopfen 24 an dem oberen Zementierstopfen 23 halten, und der untere Zementierstopfen 24 wird ausgelöst und bewegt sich in üblicher Weise rohrab-%iärts. Wenn genügend Zement in das Bohrrohr l6 gepumpt worden ist, läßt man den oberen Auslöseatopfen 9 durch Zurückziehen des Kolbens 11 fallen, beendet das Einpumpen von Zement und beginnt mit dem Einpumpen einer typischen Verdrängungsflüssigkeit wie Bohrschlamm.

Wenn in Figur 1 und 2a der obere Auslösestopfen 9 die Sitzfläche 65 erreicht und sich in üblicher Weise mit der ringförmigen Riegelschulter 69a verriegelt, so daß die Axialbohrtmg 6l der Hülse gegen Druckmitteldurchtritt

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abgedichtet ist, beginnt der Auslösevorgang des Auslösemechanismus 20 für den oberen Stopfen. Der Auslösemechanismus 20 bleibt in dem Haltezustand von Figur 2a, bis in der A-rialbohrung 31 ein vorgegebener Auslösedruck erreicht ist. Wenn dieser A^ιslösedruck erreicht ist, wird auf die Hi/lse 60 eine Abwärtskraft ausgeübt, die ausreicht, um das Scherglied 80 abzuscheren. Dadurch wird die Hülse 60 freigegeben und kann sich in dem Verbindungsstück 70» wie in Figur 2b dargestellt ist, abwärtsbewegen. Diese Abwlirtsbewegung wird durch die Ringschulter 76 begrenzt. Die Abwärtsbewegung der Hülse 60 führt zu einer Abwärtsbewegung des sich erweiternden Endes 62 gegenüber dem zusammenziehbaren Randteil 5I des Kragens 50. Wenn das sich erweiternde Ende unter den zusammenziehbaren Randteil 51 gelangt, ist der Randteil yl nicht mehr nach auswärts festgehalten und kann sich wie in Figur 2b von dem Lauflager 91 weg zusammenziehen.

V7enn in Figur 2c die Hülse 60 die Schulter 76 erreicht, bewirkt der fortdauernde Druck in der Axialbohrung 31» daß die Hülse 60 den Kragen 50 innerhalb der Axialbohrung k"} (sjähe Figur 2c) nach unten drückt, wobei der ausdehnbare Randteil 55 nach unten aus der Axialbohrung 4l der Buchse h0 herausbewegt wird. Diese Abwärtsbewegung des Kragens 50 bewirkt eine Abwärtsbewegung des Verbindungsstückes 70, da der innere Rand 57» wie vorstehend beschrieben, in der Ausnehmung 77 des Verbindungsstückes 7° gehalten wird, bis der ausdehnbare Randteil 55 sich vollständig aus der Axialbohrung kl heraxisbewegt und sich, wie in Figur 2d dargestellt, nach außen ausdehnt.

Wenn in Figur 2d der Teil 53 ^des Kragens 50 den ringförmigen Rand der Buchse 40 erreicht, wird eine weitere Abwärtsbewegung des Kragens 5° verhindert. Jedoch wird eine weitere Abwärtsbewegung der Hülse 60 und des Verbindungs-

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Stückes 70 nicht dadurch verhindert, daß der Teil 33 den ringförmigen Rand 45 erreicht, da der untere geschlitzte Teil 54 des Kragens 50 nach unten aus der Axialbohrung 4l herausgetreten ist und daher der geschlitzte Teil 54 nach außen gebogen werden kann, um den inneren Rand 57 aus der Ausnehmung 77 des Verbindungsstückes 70 herauszubewegen. Dadurch werden das Verbindungsstück 70, die Hülse 60 und der obere Auslösestopfen 9 ausgelöst und können sich rohrabwärts bewegen, wobei die Axialbohrung 4l für den Druckmitteldurchtritt freigegeben wird. Während die Axialbohrung 4l so für den Druckmitteldurchtritt freigegeben wird, ist die Axialbohrung Gl der Hülse 60 immer noch durch den oberen Auslösestopfen .9 djdtit abgeschlossen, so daß ein Druckmitteldurchtritt durch die Axialbohrung.., 6l verhindert wird, Ein Druckmitteldurchtritt um das Verbindungsstück herum wird verhindert durch die Abstreifer des oberen Zementierstopfens, der auf dem Gewinde 79 des Abstreifers 70 befestigt ist.

Das Lauflager 9I und das Drucklager 92 gestatten eine freie Drehung des Kragens 50 in der Buchse 40, wodurch eine Verdrehung des Verbindungsstückes 70 ermöglicht wird, das anfänglich frei drehbar in dem Kragen 50 gehalten ist. Somit können sich die Zementierstopfen 23 und 24 frei gegenüber dem Zementierkopfzwischenstück I9 verdrehen. Diese Drehfreiheit verhindert eine vorzeitige Auslösung des Zementierstopfens infolge von Drehkräften, welche den Zementierstopfen 23 gegenüber dem Zementierkopfzwischenstück zu verdrehen suchen.

Während des anfänglichen Einführens des unterirdischen Teils 7 des Zementierstopfensystems 1 in die innere Verrohrung 21, leisten die Abstreifer der Zementierstopfen

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23 tind 24 einem solchen Einführen Widerstand und verursachen so eine aufwärts gerichtete Kraft auf das Verbindungsstück 70 des Auslösemechanismus 20. Diese aufwärts gerichtete Kraft auf das Verbindungsstück 70 schiebt den ausdehnbaren Randteil 55 des Kragens 50 in der Axialbohrung 4l der Buchse 40 aufwärts und bewegt somit den zusammenziehbaren Randteil 51 auSrärts zur Anlage an den ringförmigen Rand 37· Eine weitere Aufwärtsbewegung des Kragens 5° wird durch die Anlage des Randteils 51 an dem Rand 37 verhindert. Der Randteil 51 wird durch das sich erweiternde Ende 62 der Hülse 60 auch während dieser Aufwärtsbewegung nach außen hin festgehalten, da das Scherglied 80 die Hülse 60 mit dem Verbindungsstück 70 verbindet, so daß sich das sich ei*weiternde Ende 62 mit dem zusammenziehbaren Randteil aufwärtsbewegt. Ein anderes Mittel zur Begrenzung einer Aufwärtsbewegung des Kragens 50 wäre eine Begrenzung der Aufwärtsbewegung des Verbindungsstückes 70, indem der Zementierstopfen 23 so geformt wird, daß er bei Befestigung an dem Verbindungsstück 70 an der Unterkante der Buchse 40 zur Anlage kommt. Dadurch würde das Verbindungsstück 70 an einer Aufwärtsbewegung gehindex-t. Die Verhinderung einer Aufwärtsbewegung des Verbindungsstückes 70 würde eine Aufwärtsbewegung des daran angebrachten Kragens 50 verhindern.

Das Gerät nach der Erfindung ist zwar anhand eines Auslösemechanismus für den oberen Stopfen bei einem Stopfensystem für die Zementierung von Ölbohrungen beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann erkennbar, daß die Erfindung keineswegs auf einen solchen Mechanismus beschränkt ist sondern einen weiten Anwendungsbereich bei durch ein Verschlußglied betätigten lösbaren Leitungsverbindungen besitzt.

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Claims

Patentansprüche

1. Gerät zur Befestigung eines Objektes an einem Rohr, das einen Innenrand aufweist, und zum Lösen des Objektes bei Aufsitzen eines Verschlußgliedes in dem Gerät und anschließendem Unterdrucksetzen des Rohrinnenraumes, gekennzeichnet durch

(a) einen Kragen (50) mit einem zusammenziehbaren äußeren Rand (5l) zur lösbaren Verriegelung mit dem besagten Innenrand des Rohres,

(b) eine Hülse (60) mit einer Axialbohrung (6l) und einem sich erweiternden Ende (62), welches das Verschlußglied (9) aufnimmt und den zusammenziehbaren äußeren Rand (5l) solange nach außen hin festhält, bis nach Aufsetzen des Verschlußgliedes (9) auf der Hülse (6cJ und Erreichen eines vorgegebenen Innendrucks in dem Rohr die Hülse (60 innerhalb des Kragens (50) wenigstens teilweise verschoben ist,

(c) ein Verbindungsstück (70), das an dem Kragen (50) befestigt ist und das Objekt (23) trägt, und

(d) Dichtmittel (46a, 47, 47a, 71a, 66) zwischen dem Verschlußglied (9) und dem Rohr (30), durch welche das Rohr abgedichtet ist, wenn das Verschlußglied (9) auf der Hülse (60) aufsitzt.

2t Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohr (30) und dem Verbindungsstück (70) ein Drehgelenk (90) angeordnet ist, welches eine Verdrehung des Verbindungsstückes (70) relativ zu dem Rohr (30) gestattet.

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3· Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (60 und das Verbindungsstück (70) durch eine lösbare Verriegelung (80, 8l, 82) miteinander verbunden sind, welche die Lage der Hülse (60) gegenüber dem Verbindungsglied festlegt, bis das Verschlußglied (9) auf der Hülse (60) aufsitzt, und der besagte vorgegebene Innendruck in dem Rohr (30) erreicht ist.

4. Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rohr (30) ein Anschlag (45) angebracht ist, welcher die Abwärtsbewegung des Kragens (50) innerhalb des Rohres (30) begrenzt, und daß an dem Kragen (50) Auslösemittel (5^1 55) angebracht sind, welche das Verbindungsstück (70) vollständig freigeben, wenn eine volle Abwärtsbewegung des Kragens (50) in dem Rohr (30) stattgefunden hat.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (50) federnd nach oben und unten spannfutterartig ausgebildet ist und einen zusammenziehbaren oberen äußeren Rand (56) und einen ausdehnbaren unteren Rand (55) aufweist, und daß die Anschlagmittel einen inneren ringförmigen Rand (56) an dem Rohr (JO) und einen entsprechend mittleren Teil (53) des Kragens (50) aufweisen, dessen Außendurchmesser größer als der Durchmesser des inneren Randes (45) des Rohres (30) ist, so daß bei einer Abwärtsbewegung des mittleren Teils (53) dieser an dem inneren Rand (45) des Rohres (JO) zur Anlage kommt.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr ein Gehäuse (30) aufweist, welches einen oberen Teil (32) mit einer ersten axialen Bohrung (31)» einen unteren Teil (33» 40) mit einer zweiten axialen Bohrung (43) und einen mittleren Teil (37) zwischen dem oberen und dem unteren

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Ende (32 bzw. 33) mit einer dritten axialen Bohrung (35) aufweist, welche letzter größer als die zweite axiale Bohrung (4l) ist, so daß zwischen dem unteren Teil (33> 40) und dem Mittelteil (37) eine Ringschulter (44) gebildet ist, sowie einen untersten Teil, der mit dem unteren Teil (33> 40) verbunden ist und eine vierte axiale Bohrung (4l) aufweist, deren Durchmesser geringer als der der besagten dritten axialen Bohrung (43) ist, so daß eine zweite Ringschulter (45) zwischen der dritten und vierten axialen Bohrung (43 bzw. 4l) gebildet ist.

Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (50) einen geschlitzten oberen Teil (51) mit einem zusammenziehbaren, oberen äußeren Rand (56), der sich lösbar auf der ersten Ringschulter (44) des Gehäuses (30, 40) abstützt, einen geschlitzten unteren Teil (55) mit einem ausdehnbaren unteren Rand (57) und einen dazwischenliegenden mittleren Teil (53) aufweist, daß die innerhalb des Kragens (50) angeordnete Hülse (60) eine Sitzfläche (65) aufweist sowie einen Halteteil (62), der an der Innenseite des oberen Teils (51) des Kragens (50) anliegt und in der Ausgangsstellung eine Einwärtsbewegung des oberen äußeren Randes (56) verhindert, einen mit dem Halteteil (62) verbundenen Abscherteil (65)1 einen mit dem Abscherteil (65) verbundenen Riegelteil (68, 69) und einen mit dem Abscherteil (65) verbundenen Druckteil; daß innerhalb des Kragens (50) ein Verbindungsstück (70) gehaltert ist, welches einen Abscherteil (8l) fluchtend mit dem Abscherteil (65) der Hülse (60) aufweist, sowie eine Ausnehmung (77) auf der Außenseite, die der Umfangsgestalt des besagten ausdehnbaren inneren Randes (57) des Kragens (50) entspricht und diesen Rand {57) aufnimmt, und einen Anschlußteil (74) der zur Halterung des Objektes (23) eingerichtet ist, und daß ein Riegelglied (80) die Hülse (60) in einer ersten Stellung innerhalb des Verbind^unS^sstückes ^⁷⁰* ^lösbar

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sichert, so daß nach dem Lösen die Hülse (60) eine andere Stellung in dem Verbindungsstück (70) einnehmen kann.

8. Gerät nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zusammenziehbaren Rand (56) des Kragens (50) und der ersten Ringschulter (44) des Gehäuses (30, 40) ein Drehgelenk (90) in Gestalt eines ringförmigen Lauflagers (91) und eines ringförmigen Drucklagers (92) angeordnet ist, welches eine Drehung des Kragens (50) gegenüber dem Gehäuse (30, 40) gestattet.

9· Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) mit der Verrohrung (21) eines Bohrloches verbunden ist und das an dem Verbindungsstück (70) lösbar gelagerte Objekt von dem mit einem Längskanal versehenen, oberen Zementierstopfen (23) eines Bohrloch-Zementiersystems gebildet wird.

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